Bombensichere Formel für bombensicheren Beton
Ein neuartiger Stahlbeton, der auch beim Bau des One World Trade Centers verwendet wurde, schützt Gebäude besser vor Bombenanschlägen. Zudem haben Forscher einen Algorithmus ermittelt, mit dem sich die notwendige Dicke des Betons berechnen lässt. - Bisher musste man auf Erfahrungswerte zurückgreifen.
Bei Erdbeben oder Explosionen entstehen riesige Kräfte. SIe machen sich in der Nähe einer Autobombe mit Spannungen im Bereich von mehreren tausend Megapascal bemerkbar. In weiteren Entfernungen zum Detonationsort können aber noch immer mehrere hundert Kilopascal Druckbelastung auftreten. Zum Vergleich: Der Luftdruck in einem Fahrradreifen liegt bei etwa drei bar. Das entspricht etwa 300 Kilopascal.
„Bei Detonationen ist für den Menschen im grösseren Abstand zum Detonationsort aber weniger die Druckwelle gefährlich“, erklärt dazu Alexander Stolz von der Abteilung „Sicherheitstechnologie und Baulicher Schutz“ am Freiburger Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdynamik, Ernst Mach-Institut, EMI, in Efringen-Kirchen. „Gefährlicher sind herumfliegende Trümmerteile.“ Wird herkömmlicher Stahlbeton von einer Druckwelle oder einer Explosion erfasst, passiert Folgendes: Er ist so spröde, dass einzelne, zum Teil grosse Stücke herausgerissen werden und durch die Luft fliegen.
Verformen statt brechen
Stephan Hauser von der Ducon Europe GmbH & CoKG, hat einen Beton entwickelt, der unter einer solchen Belastung nicht bricht, sondern sich lediglich verformt. Eine besondere Mischung aus sehr festem Hochleistungsbeton und einem feinmaschigen Bewehrungsgitter aus Stahl macht dies möglich. Das EMI unterstützt Hauser seit mehreren Jahren bei der Optimierung seiner Erfindung: Die Forscher sind insbesondere für die dynamischen Qualifikationstests des Materials bei aussergewöhnlichen Lasten zuständig. Dazu gehört auch, dass sie den Werkstoff charakterisieren und die Kennlinien zu dessen Bemessung errechnen. Dabei haben die Wissenschaftler eine mathematische Formel ermittelt, mit deren Hilfe sich die für jede Anforderung nötige Dicke des neuartigen Betons berechnen lässt. - Bisher geschah dies aus Vergleichswerten heraus und durch Erfahrungswerte. „Jetzt können wir einen allgemeingültigen Algorithmus nutzen“, so Stolz.
Die Formel ist während einer Versuchsreihe mit der neuen Stossrohranlage am Standort Efringen-Kirchen entstanden. „Wir können hier Explosionen unterschiedlicher Sprengkraft simulieren – von 100 bis 2500 Kilogramm TNT in Abständen von 35 bis 50 Metern vor Gebäuden. Und das, ohne Sprengstoff einsetzen zu müssen“, führt Stolz aus. Das Prinzip: Das Stossrohr besteht aus einem Kompressions- und einem Expansionsteil, durch eine Stahlmembran getrennt. Im Kompressionsteil können die Wissenschaftler die Luft auf bis zu 30 bar komprimieren oder vielmehr den Druck um das 30-Fache erhöhen. Ist der Druck eingestellt, wird die Stahlmembran angestochen: Die Luft entweicht schlagartig, läuft durch das Expansionsteil hindurch und trifft als ebene Stossfront auf das Betonelement, das am Ende des Stossrohrs befestigt wurde. „Bei herkömmlichem Beton riss das Rohr Teile heraus und die Wand versagte nahezu schlagartig. Bei der dehnbaren von Stolz entwickelten Variante hat sich der Beton lediglich verformt. „Es gab keine Trümmerteile, der Baustoff blieb in sich geschlossen“, sagt er. Wegen seiner Eigenschaften ist der Beton zwar wesentlich filigraner aber gleichzeitig fester als herkömmlicher Stahlbeton. Dünnere Bauteile sind möglich.
One World Trade Center
Die neue Berechnungsformel und das hohe Tragpotenzial des Werkstoffs und schliesslich die Kenntnis über die Belastungsgrenzen des Materials unter Explosionsbelastung ermöglichten den Einsatz des Sicherheitsbetons beim neuen One World Trade Center in New York, heisst es dazu in der Medienmitteilung des Fraunhofer Instituts. Beim One World Trade Center steht das Gebäude auf einem 20-geschossigen, bombensicheren Fundament, das über 60 Meter tief reicht. An besonders sicherheitskritischen Stellen sind innerhalb des Gebäudes wurden insgesamt über mehrere tausend Quadratmeter Sicherheitsbeton verbaut. Mit 541,30 Metern ist es das höchste Gebäude der USA und das dritthöchste der Welt. „Mit Hilfe unserer Formel kann nun die Dicke des Betons exakt für die Sicherheitsanforderungen eines solchen speziellen Gebäudes errechnet werden“, sagt Stolz. (mai/mgt)
